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1、中南大学 Central South University 博士学位论文答辩 地质体三维形态分析方法与应用 毛 先 成 13707317169 xcmao 2013年12月6 日 中南大学地球科学与信息物理学院 国家自然科学基金项目（41172297）资助 国家十一五科技支撑计划重点课题（2006BAB01B07）资助 中南大学 Central South University 介绍提纲 1.地质体形态分析研究现状与存在问题 2.地质体三维形态分析思路与技术路线 3.地质体三维形态分析方法 4.地质体三维形态分析应用实例 中南大学 Central South University 研究意义：
2、地质体形态特征是控制矿床矿体形成、定位和分布的重 要因素，定量地分析和提取地质体的三维形态特征，对掌握 矿床矿体定位机制和分布规律具有重要的理论和实践意义。 1地质体形态分析研究现状与存在问题 中南大学 Central South University l构造形态是控制矿床形成和分布的最重要因素（翟裕生等，1981）。 l山东界河金矿控矿断裂面的计算机模拟及趋势面分析表明，控矿断面的 形态变化与矿体定位存在着一定的空间关系（高秋斌等，1999）。 l基于地质异常理论的局部构造异常特征分析发现，构造局部形态对成矿 具有控制作用（吕新彪,2001）。 l通过接触带控矿构造类型及其空间分布特征、接触
3、带形态产状特征及其 与成矿的关系、成矿定位机制等的分析，可以预测出深部隐伏矿体找矿的有 利部位（刘玉成等,2006）。 l个旧锡矿花岗岩凹陷带（内凹部位）矿体空间分布规律的综合分析发现 ，矿体的形成及分布与花岗岩表面形态的复杂程度具有密切关系（张建东， 2007；王雄军等，2008）。 l矿体形态特征是许多矿床的矿体变化最大标志（李守义等,2003）。 l基于趋势分析与结构分析的断层波状构造分解和定量模拟，可得到断层 波状构造形态的分级控矿和矿化局部化规律（毛先成等，1993） 1地质体形态分析研究现状与存在问题 地质体形态分析研究现状： 中南大学 Central South Universi
4、ty 上述研究以对地质体形态的制图表达和定性分析为主，尽管某些方法可 以进行定量分析，但表达的信息是二维或者2.5维的，而地质体是一种真三 维结构，这就需要对地质体进行真三维的形态模拟与分析。 l曹代勇等（2001）分析研究了地质构造的形态特征与三维可视化技术 ，并提出了地质构造模型中处理断层的局部法和整体法技术 。 l曾新平等（2005）研究了基于IDL的地质体三维可视化建模技术和地质 特征分析方法。 l吴冲龙等（2006）研究开发了通过二维图件生成真三维盆地构造地 层格架的计算机模拟和可视化技术以及建立三维数字盆地的空间信息系统技 术。 l赵义来等（2010）研究了安庆铜矿田岩体接触带的三
5、维形态及其控矿 机制，认为矿体空间分布位置与接触带的形态有着直接关系。 l目前，基于三维地学建模（3DGM）和可视化技术的隐伏矿体三维定位 定量预测已发展成为研究热点（陈建平等，2007）。 1地质体形态分析研究现状与存在问题 中南大学 Central South University 这些研究实现了地质体的三维模拟与形态描述，并探讨 了地质体形态与矿体空间定位的关系。 但为了深层次地揭示出地质体形态特征对矿体空间定位 与分布的控制规律，我们认为，还需系统地对地质体的三维 形态进行定量分析。 三维地质建模、数学形态学等技术的出现为三维形态定 量分析奠定了基础。 1地质体形态分析研究现状与存在问
6、题 存在问题： 中南大学 Central South University 三维地学建模（3DGM）技术经过多年的发展已日趋成熟。 Houlding结合地质建模研究了规则三维格网(Regular 3D grid) 、非规则块(Irregular block)、断面(Sectional)和体(Volume)数据 结构，系统地建立了三维地质建模理论。 此后很多学者相继对三维地质建模进行了大量的研究，使地 质体三维建模与可视化技术得到了飞速发展并已进入实用化阶段 。 同时，国内也有大量学者研究开发了地质体的三维建模与可 视化技术，包括拓扑关系结构组成的三维矢量拓扑模型，基于类 三棱柱体的三维数据模型
7、，广义三棱柱构模技术，基于TIN的多层 DEM构模技术，三维断层模拟和复杂地质体三维建模的线框架模 型 。 1地质体形态分析研究现状与存在问题 中南大学 Central South University 随着三维地质建模理论和技术的成熟，地质体三维建模软件 大量涌现，如澳大利亚MAPTEK公司的Maptek Vulcan软件，英 国Datamine公司的Datamine Studio软件，澳大利亚Surpac公司的 Surpac Vision软件，法国Nancy学校开发的GOCAD地质建模软件 ，澳大利亚Micromine公司的Micromine软件，中国三地曼公司的 3D mine软件、迪迈
8、公司的Dimine软件等。 三维地质建模技术的实用化，为地质体三维形态分析研究提 供了三维建模技术基础。 1地质体形态分析研究现状与存在问题 中南大学 Central South University 数学形态学（Mathematical Morphology）诞生于1964年，最初是由 法国科学家Serra提出用于对铁矿核做定量岩相学分析的。1982年， Serra出版了专著Image Analysis and Mathematical Morphology，将 数学形态学与图像处理真正联系起来，从而发展了数学形态学，使其逐 步成为学者们研究的热点。 数学形态学的数学基础和所用语言是集合论，
9、集合本身可支持任意 维度，因此只需借用现有的二维模型，将运算扩展到三维空间，将二维 结构元素扩展为三维结构元素，就能使数学形态学支持三维图像分析， 这为地质体三维形态分析研究提供了理论参考。 同时，欧氏距离变换（Euclidean Distance Transform）与图像处理 结合具有提取几何特征的能力，为地质体三维形态分析高效算法的实现 和形态特征参数提取提供了技术基础。 1地质体形态分析研究现状与存在问题 中南大学 Central South University l数学形态学较好地解决了几何特征提取、边缘检测、图像分割、形状识别 等图像处理问题。 l利用形态运算可以提取遥感图像上特定
10、的土地特征。 l提取卫星融合影像中的线型地物。 l检测图像中建筑物阴影和云阴影。 l对高分辨率的遥感图像进行分类和处理。 l可用数学形态学对岩石纹理进行彩色图像的分割和分类。 l还可利用数学形态学判定包裹体边界，结合包裹体的其他信息获得流体包 裹体迹线及其形态和几何参数，为研究地质现象变化过程的微观机制提供较好的 理论基础。 l利用数学形态学进行水文地质属性研究，模拟出了水体影响范围的特征和 水流路径。 上述地质图像处理研究都是基于二维图像的，但地质体是真三维的 ，需采用三维图像或三维栅格模型表达，因此，要实现地质体三维形态 分析，需要将现有的数学形态学扩展到三维空间以支持三维图像处理。 1地
11、质体形态分析研究现状与存在问题 近年来，数学形态学在地质图像处理领域取得了大量的研究成果： 中南大学 Central South University 欧氏距离变换（Euclidean Distance Transform）广泛应 用于图像分析、计算机视觉和模式识别领域，经过多年的发 展，已发展出许多高效的优化算法。 在离散化空间中，我国学者诸葛婴将欧氏距离变换二维 最优算法扩展到了三维，而蔺宏伟同样也将二维算法推广到 了三维，但其算法的时间和空间复杂程度比前者更低，因而 是一种更加适合三维栅格模型的欧氏距离变换算法。 三维欧氏距离变换高效算法的成熟，以及欧氏距离变换 与图像处理结合具有提取几
12、何特征的能力，为地质体三维形 态分析高效算法的实现和形态特征参数提取提供了技术基础 。 1地质体形态分析研究现状与存在问题 中南大学 Central South University 2地质体三维形态分析思路与技术路线 地质体三维形态分析研究思路： 栅格模型形态运算结果应用 1. 野外调查、资料收集与整理并建立地质数据库。 2. 建立地质体三维实体模型，生成地质体三维栅格模型。 3. 构建地质体三维形态分析集合运算模型。 4. 研究地质体三维形态分析算法，设计开发形态分析实验软 件。 5. 进行地质体三维形态分析实验，改进形态分析模型和算法 。 6. 地质体三维形态分析应用。 中南大学 Cen
13、tral South University 技术路线图： 中南大学 Central South University 关键技术： 1.三维地质形态分析 数学形态学（G. Matheron和J. Serra） 腐蚀（Erosion）、膨胀（Dilation）、开（Opening）、闭（ Closing）运算 二维形态（像元）三维形态（体元或体素） 2.三维距离场分析 离散化地质空间下的距离测度 基于栅格数据的三维距离变换 空间距离场及空间参数提取 3.空间统计分析 4.三维栅格模型可视化 2地质体三维形态分析思路与技术路线 中南大学 Central South University 数学形态学是
14、以严格的数学理论和集合理论为基础，用具有一定形 态的结构元素去量度和提取图像中的对应形状以达到对图像分析和识别 的目的。数学形态学的基本运算主要包括膨胀、腐蚀、开、闭等，其中 腐蚀与膨胀、开与闭互为对偶运算。 设A表示一幅二值图象，B为结构元素： （1） （2） （3） （4） 式中，c表示A的补集，表示B关于坐标原点旋转180。 3地质体三维形态分析方法 数学形态学 中南大学 Central South University 采用蔺宏伟提出的采用8个模板进行三维欧氏距离变换的方法，对体 素模型的栅格空间进行扫描，生成欧氏距离场。 模板中的每个单元是一个向量。设栅格空间的大小为LMN，空间 所
15、有体元的距离可用一向量表示，向量的模即为该体元的距离值。算法 的扫描过程分为前向和后向两个过程。 在前向和后向过程中的每次扫描中，做以下运算： 上式中，要求(i,j,k)满足 时将等号右边的向量赋给f new(x, y, z)。 f (x, y, z)为行列层坐标为(x,y,z) 体元的距离向量， f new(x, y, z)为其新值，T为模板。若f (x, y, z) = (p,q,k)则距离其最近的体元坐标为(x+p,y+q,z+k)。 3地质体三维形态分析方法 欧氏距离变换 中南大学 Central South University 欧氏距离变换 3地质体三维形态分析方法 中南大学 Ce
16、ntral South University 3地质体三维形态分析方法 三维形态分析方法： 地质体形态趋势提取； 地质体表面形态起伏提取； 形态起伏特征提取； 地质体表面与趋势面夹角提取。 中南大学 Central South University 一般分析的方法：趋势面数学方程。而这种方法在地质体形态复杂 、且有超覆现象时，就无法满足要求。 因此，本文在地质体体素栅格模型的基础上，提出了一种基于数学 形态学的通用趋势形态提取方法。 定义一个球形结构元素，进行开运算或闭运算时，球将在整个三维 空间中进行滚动时，包括地质体边界内外。开运算时，球在地质体边界 内部滚动，将会削平边界上的凸峰(如下图(b)(c)。同理，闭运算时球 在地质体外边界上滚动，此时将会填补边界上的凹谷（如下图(d)(e)） 。 因此用这两种运算的组合对地质体操作，可分别削平和填补地质体 边界上的的凸峰和凹谷，得到平滑的趋势形态。 3地质体三维形态分析方法 地质体形态趋势提取 中南大学 Central South University 球形结构元素开运算与
